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铜管超声导波检测试验

 

    铜管因有良好的热传导性能,在工业中作为换热管得到广泛应用。换热管在使用中会因原始管材缺陷发展或各种因素的损伤而导致泄漏,故在使用前及使用中均须对其进行检测。目前,换热管通常采用涡流方法逐点扫查,因此检测效率很低。
    超声导波是在板、管等结构中传播的一种特殊形式超声波。传播时,其质点振动分布于整个工件截面,而且传播过程中能量损失小,传播距离长,可进行长距离检测,检测效率较传统检测方法大大提高。笔者采用导波技术对铜管的检测进行了试验。

 

1 检测参数选择

    超声导波在介质中的传播具有与体波(纵波与横波)迥然不同的特征。对于圆管中的超声导波,可用以下方程描述[1]:
        │Cij│=0    i,J=1,2,3,…,6    (1)式中Cij是管子尺寸(内径a,外径b)、Lame常数λ和μ材料密度ρ、频率f及相速度υp的函数。
    理论上式(1)有无穷多解,每一个解代表一种传播和质点振动形式,称为导波的一种模式,因此介质中可能存在无穷多不同模式的超声导波。实际存在的导波模式与频率、激励方式以及介质的几何尺寸有关。不同模式的导波以不同的速度传播,而即使是同一模式的导波,其速度也随着频率的不同而改变,这就是导波的频散特征。超声导波的多模式和频散特征导致检测信号的提取与识别很困难,因此导波模式和频率的选择是实现检测的关键。

 

    1。1 导波模式的选择

    根据Meitzler和Zemanek[2]的研究结果,管中超声导波可分为轴对称纵向模式L(0,m)、轴对称扭转模式T(0,m)和非轴对称弯曲模式F(n,m)三种基本类型。而Rose等人[3-5]的研究结果表明,轴对称L(0,2)模式导波具有在较宽的频率范围内频散很小、群速度在所有模式中最快、内外表面的轴向位移较大以及传播过程中能量泄漏相对较小,从而传播距离相对较大等特点,因此在超声导波检测中具有很大优越性。笔者选择L(0,2)模式导波对铜管进行检测试验。

 

    1.2 检测频率的选择

    选择检测频率时主要考虑以下因素:
    (1)由于探头总是具有一定宽度的频带,应选择位于L(0,2)模式导波相速度频散曲线较平缓区域内的频率作为检测频率,因为在该区域相速度随频率的变化很小,信号的包络和幅度都保持相对不变。    
    (2)选择的检测频率应避开存在L(0,3)及较高模式导波的区域,并使L(0,2)模式导波具有较高的群速度。此时只存在L(0,1)和L(0,2)两种模式导波,而且L(0,2)模式导波群速度比L(0,1)模式导波高得多,因此便于在时域内分辨检测信号。
    (3)选择的检测频率使L(0,2)模式导波具有较高的轴向位移分量和尽量低的径向位移分量。高的轴向位移分量有利于缺陷的检测,而低的径向位移分量使导波在传播过程中能量泄漏较小,传播距离较大。
    试验用铜管的规格为φ25 mmX 1 mm,材料密度8.6 g/cm3,纵波速度4700 m/s,横波速度2100 m/s。通过求解式(1)可得管中轴对称纵向模式导波的频散曲线,进而计算出L(0,2)模式导波的位移分布曲线(图1和2)。根据图中曲线,按照上述原则,检测频率选择为0.49 MHz。

 

2 试验装置

    检测系统由Panametric 5800PR超声脉冲发射/接收仪、HP 54622数字式示波器、超声导波检测探头和计算机构成(图3)。
    由超声脉冲发射/接收仪发射高频脉冲以此来激发检测探头,通过检测探头与被检管子的耦合,在管子内产生超声导波。导波沿管壁传播遇到缺陷时产生反射,反射波由检测探头转换为电信号,传送到超声脉冲发射/接收仪进行放大和滤波等处理,然后通过数字式示波器显示、观察并进行幅度和声程测量。同时,通过计算机与示波器之间的通讯,可将缺陷反射信号数据采集到计算机,以便存储和后续分析处理。

  

3 试验结果及分析

 

3.1 不同缺陷的检测试验

    试验用铜管长1400 mm,在距离管端1000 mm处分别加工不同直径通孔、不同尺寸矩形槽和不同深度环形槽等外壁缺陷。采用上述检测装置对带有缺陷的试样进行检测试验。表1分别为不同直径通孔及不同尺寸外壁缺陷的反射波幅。

表1 不同人工缺陷的反射波幅度

缺陷类型

尺寸/mm

波幅/mv 

尺寸/mm

波幅/mV

通孔

φ1
φ2

1 840
2 260 

φ3
φ4

2 800
3 400

矩形槽

O.3×6
O.3×10 

3 033
3 080

O.5×6
O.5×10

4 440
4 740

环形槽

O.3

5 760

O.5

8 020

    表1中的数据表明,通孔的反射波幅度随着直径的增大而增大,外壁缺陷的反射波幅随着其深度增大而增大。深度一定时,不同宽度矩形槽缺陷的反射波幅基本相同,而环形槽的反射波幅大于同深度矩形槽的反射波幅。可见,缺陷的反射波幅度主要取决于缺陷径向和周向尺寸,而缺陷的轴向尺寸对反射波幅度基本没有影响。

 

    3.2 内外壁缺陷的检测对比试验

    采用长1 m的铜管,分别在内、外壁加工3 mm(宽)×0.5 mm(深)的环形槽缺陷,缺陷距离检测端面920 mm。对上述试样进行检测,内壁和外壁环形槽的反射波幅度分别为5 080 mV和5 800 mV。可见超声导波对于内、外壁缺陷有基本相同的检测灵敏度。

 

4 结语

    计算了铜管中轴对称纵向模式导波的频散曲线及L(0,2)模式导波的位移分布曲线。根据计算结果,选择频率0.49 MHz的L(0,2)模式导波,对带有不同缺陷的铜管进行检测试验。试验结果表明,L(0,2)模式导波对铜管中各种缺陷均有良好检出能力,对于内、外壁缺陷具有基本相同的检测灵敏度,缺陷的反射波幅主要取决于缺陷径向和周向尺寸,而缺陷的轴向尺寸对反射波幅基本没有影响。

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